Обмяна на въглехидратите

Въглехидратите са най-важният източник на енергия за организма, като те осигуряват 50-60% от общия енергоразход. Те участват и в изграждането на гликопротеините и гликолипидите, които притежават важни регулаторни функции в организма. Основните групи въглехидрати, които се приемат с храната, са:

• полизахариди – скорбяла в растителните продукти, гликоген в животинските и несмилаеми власинки;
• дизахариди – захароза и лактоза;
• монозахарид – фруктоза.

Те се подлагат на разграждане в храносмилателната система до D-изомерите на монозахаридите глюкоза, фруктоза и галактоза. Глюкозата и галактозата се резорбират през епитела на тънкото черво чрез вторично-активен транспорт, а фруктозата – чрез улеснена дифузия. След като попаднат в циркулацията, те достигат до всички клетки в организма. Постъпването на глюкозата от екстрацелуларната среда в клетките става чрез улеснена дифузия, поради наличието на значителен концентрационен градиент. Глюкозата има по-голям размер от електролитите и е хидрофилна. По тази причина тя може да премине през мембраната само с помощта на преносител. Описани са няколко глюкозни преносителя. Глюкозният преносител 1 има значение за постоянния приток на глюкоза към клетките. Екпресията му се стимулира от гладуване, а се потиска от хипергликемия. Глюкозният преносител 4 (ГЛП-4) се намира в скелетните мускули, миокарда и мастната тъкан. Функцията на този преносител е зависима от инсулина. При ниски нива на инсулин ГЛП-4 остава в цитозола и глюкозата не може да постъпи в клетките. Това води до развитието на хипергликемия. Глюкозният преносител 2 се намира по базолатералната мембрана на клетките на тънкочревния и бъбречния епител, както и в β-клетките на Лангерхансовите острови на задстомашната жлеза. Действието на този преносител е независимо от инсулина. Глюкозният преносител 3 се намира в мозъчните клетки и в плацентата. Той е високоефективен и също е независим от инсулина.

След като постъпи в клетките глюкозата се превръща в глюкозо-6-фосфат, под действие на ензима хексокиназа, а в чернодробните клетки – под действие на глюкокиназа. Ензимното действие на глюкокиназата се характеризира с нарастване на ефективността при повишаване на концентрацията на глюкоза между 5 и 10 mmol/L. Това показва, че концентрацията на глюкозата в голяма степен определя постъпването и фосфорилирането и в чернодробната клетка. Инсулинът стимулира експресията на глюкокиназа, а продължителното гладуване и диабета имат точно обратния ефект – тези състояния водят до намалено производство на ензима. При разграждане на собствените резерви от гликоген също се получава глюкозо-6-фосфат. Най-голямо количество гликоген се намира в черния дроб. Гликогенолизата се регулира от съотношението между анаболните и катаболните хормони, или с други думи съотношението между инсулина и адреналина и глюкагона. Под влияние на глюкагона и адреналина в черния дроб се активира аденилатциклазата и се стимулира образуването на цикличен аденозинмонофосфат (цАМФ). В резултат на ензима фосфорилаза В се превръща в активната си форма фосфорилаза А, който стимулира разграждането на гликогена. Ефектът на инсулина върху гликогенолизата е противоположен. Гликогенът се разгражда до глюкозо-1-фосфат, който се превръща в глюкозо-6-фосфат. Полученият глюкозо-6-фосфат може да се насочи или към разграждане или към синтез. Благодарение на наличието на ензима глюкозо-6-фосфатаза в чернодробната клетка при необходимост глюкозо-6-фосфатът може да бъде източник на глюкоза за циркулацията и по този начин ще се буферира нивото на глюкоза в плазмата.

Катаболитни процеси

Основният катаболитен път за разграждане на глюкозата е гликолизата. Тя представлява серия от реакции, протичащи в цитоплазмата, при които глюкозата се разгражда до пируват, съпроводено със синтез и отделяне на АТФ. Гликолизата е най-древният механизъм за извличане на енергия от органични вещества. Тя е катаболитна верига от десет реакции, при която една молекула глюкоза се разгражда до две молекули пируват, съпроводено със синтеза на 2 молекули АТФ и редукция на 2 молекули НАД⁺ до НАДН. Полученият пируват постъпва в цикъла на трикарбоновите киселини, който е общ краен път на катаболизма на въглехидрати, мазнини и белтъци. По време на цикъла на Кребс се получават 2 молекули въглероден диоксид, четири двойки Н-атоми се предават на дихателната верига в митохондриите и се окисляват до 4 молекули вода чрез окислително фосфорилиране, при което оптимално се получават 36-38 молекули АТФ. Цикълът на Кребс е много по-ефективен за обмяната на енергия в организма, но той е възможен само при аеробни условия.

В организма съществува и още един допълнителен път за разграждане на глюкозата. Това е пентозо-фосфатния път или пътят на Ембден-Майерхоф. 30% от разграждането на глюкоза в черния дроб и мастните клетки протича по този път. При него се образуват редуциращи елементи, които са необходими за липогенезата. Образуват се и пентози, които за необходими за синтез на нуклеотиди.

Анаболитни процеси

Към анаболитните процеси във въглехидратната обмяна се причислява синтезът на гликоген (гликогеногенезата), който се извършва в чернодробните и в мускулните клетки. Този процес се контролира от инсулина, който стимулира гликоген-синтазния ензимен комплекс. Глюкоза може да бъде синтезирана в малка степен и в бъбреците от трикарбоновите предшественици пируват, лактат и глицерол и отчасти от въглеводородния скелет на аминокиселините. Този процес се означава като глюконеогенеза и се стимулира от няколко хормона – от глюкокортикоидите, от глюкагона и от щитовидните хормони.

Поддържане на концентрацията на глюкозата в кръвта

Концентрацията на глюкоза в кръвта в организма при физиологични условия се поддържа в границите между 3,9 – 6,1 mmol/L, благодарение на съществуването на стабилна и фина система от хормонални механизми. Понижаването на кръвната захар под долната граница се означава като хипогликемия, а повишаването и над горната – като хипергликемия. Механизмите, които участват в поддържането на концентрацията на глюкозата в кръвта, са:

• адекватен прием на въглехидрати с храната – това е важен хомеостатичен фактор;
• глюкостатична функция на черния дроб – благодарение на ензима глюкозо-6-фосфатаза, черният дроб може да осигури постъпването на необходимото количество глюкоза към плазмата. При понижаване на нивата на глюкоза в кръвта първоначално се повишава разграждането на гликогена, а след изчерпване на запасите от него се активират ензимите на глюконеогенезата в черния дроб и бъбреците и се задейства производството на глюкоза от невъглехидратни източници.;
• хормонални механизми – единственият хормон, който понижава нивата на кръвната захар, е инсулинът. Основните хормони, които му противодействат, са глюкагон, адреналин, кортизол, растежен хормон и щитовидни хормони. Както се вижда броят на хормоните, които противодействат на инсулина, е много голям. Това се дължи на факта, че невроните са изключително чувствителни към хипогликемия и понижаването на кръвната захар под 2,3 mmol/L, води до развитие на кома, а спадането под 1 mmol/L до мозъчна смърт. Веществата, които противодействат на хипогликемията се включват в различна последователност. Най-ранната промяна е намаляване на секрецията на инсулин. След това се увеличава секрецията на адреналин и глюкагон. При задълбочаване на хипогликемията симпатикоадреналния отговор се засилва, секрецията на кортизол и растежен хормон се увеличава.

Поддържането на нивата на кръвната захар се осъществява благодарение на едновременното включване на много сложни нервно-рефлексни и хормонални механизми. В хипоталамуса се намират неврони, които се активират от повишаване на концентрацията на глюкоза, както и неврони, които се инхибират от това. Тези неврони играят ролята на глюкорецептори и в условията на хипогликемия имат значение за нормализиране на плазмената концентрация на глюкоза.